Trabajos de física experimental 1, Guías, Proyectos, Investigaciones de Física Experimental

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CINEMÁTICA Y DINÁMICA

BAJO UNA METODOLOGÍA HISTÓRICO-SOCIAL

Jairo Plaza Castillo

© Universidad del Atlántico Barranquilla, 2019

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IV Presentación

El desarrollo de las prácticas, asistidos por la guía, hace que el grupo de trabajo inicie sus acti- vidades documentándose, la guía sugiere materiales de revisión en los que se trabaja de forma teórica y experimental, se recurre a vídeos, páginas de internet, artículos, libros y simulaciones. La discusión de los conceptos previos se hace a modo de evaluación, se formulan preguntas para ser discutidas en grupo y los resultados del consenso harán parte del documento resultante de la práctica. Estas discusiones tardan del orden de 2 horas, tiempo que normalmente se le dedica a una experiencia en un contexto didáctico tradicional. En la mayoría de las prácticas se prepara un material que cumple con características particulares, pues su elaboración es independiente del espacio físico, los materiales y herramientas requeridas son propios de oficinas, talleres, cocinas, las salas de las casas, etc., no se requiere del espacio didáctico conocido como "Laboratorio de Física", por eso esta etapa la pueden hacer en sus casas o en cualquier otro espacio. Para formalizar los conceptos es imprescindible hacer mediciones de longitud, masa y tiempo. Los instrumentos de medida de longitudes son cintas métricas y/o reglas graduadas, para el tiempo se recurre al cronómetro del celular y la masa se calcula mediante volúmenes de agua medidos con jeringas o probetas. Cuando los sistemas son dinámicos, se emplea el programa para computador Traker, software libre disponible para los sistemas operativos Windows, Mac y Linux. Esta potente herramienta interactiva permite hacer simulaciones y análisis del movimiento de partículas, al identificar el móvil en un vídeo determina sus posiciones en el tiempo, y permite la visualización de las gráficas de X vs. t, Y vs t, la gráfica de la trayectoria e incluso velocidades y aceleraciones instantáneas. La identificación de los datos apropiados y el uso de las modernas herramientas TIC por parte del grupo, conducen a una conceptualización del fenómeno, lo que evidenciarán en la formulación de las conclusiones de la práctica.

CONTENIDO

Presentación III

• Introducción Contenido VIII
• I Herramientas para las mediciones y el análisis de la información
• 1. Concepto de variables
  • 1.1. Objetivo de la práctica
  • 1.2. Objetivos específicos
  • 1.3. Equipos y materiales
  • 1.4. Desarrollo del experimento
  • 1.5. Páginas de referencia
• 2. Gráficas con Tracker
  • 2.1. Objetivo de la práctica
  • 2.2. Objetivos específicos
  • 2.3. Equipos y materiales
  • 2.4. Desarrollo del experimento
  • 2.5. Curiosidades
  • 2.6. Páginas de referencia
• 3. Análisis del movimiento de un cuerpo con Tracker
  • 3.1. Objetivo de la práctica
  • 3.2. Objetivos específicos
  • 3.3. Equipos y materiales
  • 3.4. Desarrollo del experimento VI CONTENIDO
  • 3.5. Páginas de referencia
• 4. Determinación del error en la medición: Cálculo de π
  • 4.1. Objetivo de la práctica
  • 4.2. Objetivos específicos
  • 4.3. Equipos y materiales
  • 4.4. Fundamentos teóricos
  • 4.5. Desarrollo del experimento
  • 4.6. Páginas de referencia
• II Estudio del movimiento
• 5. Movimiento uniforme
  • 5.1. Objetivo de la práctica
  • 5.2. Objetivos específicos
  • 5.3. Equipos y materiales
  • 5.4. Fundamentos teóricos
  • 5.5. Desarrollo del experimento
  • 5.6. Páginas de referencia
• 6. Movimiento en 2 dimensiones
  • 6.1. Objetivo de la práctica
  • 6.2. Objetivos específicos
  • 6.3. Equipos y materiales
  • 6.4. Fundamentos teóricos
  • 6.5. Desarrollo del experimento
  • 6.6. Páginas de referencia
• 7. Movimiento circular CONTENIDO VII
  • 7.1. Objetivo de la práctica
  • 7.2. Objetivos específicos
  • 7.3. Equipos y materiales
  • 7.4. Fundamentos teóricos
  • 7.5. Desarrollo del experimento
  • 7.6. Páginas de referencia
• III Dinámica: El efecto de las fuerzas sobre el movimiento de los cuerpos
• 8. Fuerzas elástica - Ley de Hooke
  • 8.1. Objetivo de la práctica
  • 8.2. Objetivos específicos
  • 8.3. Equipos y materiales
  • 8.4. Fundamentos teóricos
  • 8.5. Desarrollo del experimento
  • 8.6. Páginas de referencia
• 9. Fuerzas de contacto
  • 9.1. Objetivo de la práctica
  • 9.2. Objetivos específicos
  • 9.3. Equipos y materiales
  • 9.4. Fundamentos teóricos
  • 9.5. Desarrollo del experimento
  • 9.6. Páginas de referencia
• 10. Fuerzas concurrentes
  • 10.1. Objetivo de la práctica
  • 10.2. Objetivos específicos VIII CONTENIDO
  • 10.3. Equipos y materiales
  • 10.4. Fundamentos teóricos
  • 10.5. Desarrollo del experimento
  • 10.6. Páginas de referencia
• IV Cinemática y dinámica del cuerpo rígido
• 11. Momento de torsión - Torque
  • 11.1. Objetivo de la práctica
  • 11.2. Objetivos específicos
  • 11.3. Equipos y materiales
  • 11.4. Fundamentos teóricos
  • 11.5. Desarrollo del experimento
  • 11.6. Páginas de referencia
• 12. Momento de inercia de un cuerpo
  • 12.1. Objetivo de la práctica
  • 12.2. Objetivos específicos
  • 12.3. Equipos y materiales
  • 12.4. Fundamentos teóricos
  • 12.5. Desarrollo del experimento
  • 12.6. Páginas de referencia

CONTENIDO

especialmente cuando se trabaja con guías tradicionales. En estas condiciones rápidamente los cursos de física se tornan en cursos eminentemente teóricos, en ellos el docente recurre al empleo de gráficos que representan el fenómeno y al uso de las herramientas de multimedia. En estas circunstancias, el estudiante no ha tenido contacto con el experimento. Bajo este enfoque interaccionista del aprendizaje de los conceptos científicos de la física, en este libro se presentan prácticas de cinemática, dinámica y dinámica del cuerpo rígido, en ellas se emplean materiales y equipos disponibles en casa o que pueden adquirirse en ferreterías, o en las papelerías del barrio. También se recurre al uso de los celulares para filmar el movimiento de los cuerpos y como equipo de medición de distancias pequeñas, ángulos y tiempo, esto recurriendo a aplicaciones de uso libre como Accelerometer, AngleMeterPRO, Nivel de burbuja, Transportador, Ruler, TruMeter y otros.

En la organización de las guías se consideran de forma preliminar sus objetivos y el listado de los materiales requeridos y 3 secciones de trabajo en grupo: Fundamentos teóricos, Desarrollo del experimento y Conclusiones.

X En la sección Fundamentos teóricos se crea un ambiente de discusión en la que el texto obliga al grupo a fundamentar y unificar los conceptos previos, esto se hace mediante una serie de preguntas que en algunos casos sugiere direcciones de internet para su revisión inmediata.

X El Desarrollo del experimento es una sección en la que se le dan instrucciones para realizar la práctica, que a diferencia de los textos eminentemente instructivos, se cuestiona al grupo sobre lo observado indagando sobre las mediciones, el comportamiento de las variables involucradas en la actividad, el tratamiento matemático a realizar y las dependencias que se perciben entre dichas variables. Las preguntas se hacen de tal manera que se induce al grupo a obtener las conclusiones de la práctica.

X Las Conclusiones es la sección considerada como las más importante de la práctica, se sugiere que por cada objetivo específico se genere como mínimo una conclusión y como conclusión fundamen- tal la que da cuenta del cumplimiento del objetivo general. Dada su importancia, se recomienda

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CONTENIDO

acompañar al estudiante en este proceso, dejarlo solo puede significar un aprendizaje distorsiona- do, en este caso se recomienda como actividad final las lecturas de las conclusiones redactadas por cada grupo.

Parte I

Herramientas para las mediciones y el

análisis de la información

velocidad, aceleración, etc. Como se puede ver, con este programa los grupos de trabajo reiterada- mente están observando el movimiento, tienen acceso a los datos y analizan el tipo de movimiento que sucede tanto en X como en Y, apoyados en las gráficas hechas por el programa. X Determinación del error en la medición: Con esta práctica se dimensiona el impacto del error presente en las mediciones. La fundamentación se inicia con la revisión de las magnitudes definidas en el Sistema Internacional de Unidades y las características metrológicas de los instrumentos de medida. Las herramientas matemáticas que se emplean son promedio, desviación estándar, mínimos cuadrados, derivadas parciales, cifras significativas e histogramas, y se definen conceptos como mínima división de escala, resolución del equipo y rango.

CONCEPTO DE VARIABLES

En los fenómenos naturales se observan propiedades físicas susceptibles de ser analizadas. Al- gunas permanecen invariantes durante un evento o presentan variaciones frente a algún tipo de estímulo. Para facilitar el estudio de estas propiedades se definen las magnitudes físicas, consideradas en el Siste- ma Internacional de Unidades SI como unidades básicas, unidades derivadas sin dimensión y unidades derivadas, esta clasificación puede revisarse en la página Curso Interactivo de Física en Internet. En el SI se consideran 7 unidades básicas, cada una de ellas representa una magnitud física, mientras que las unidades derivadas se expresan en función de las unidades básicas, por ejemplo, la fuerza, medida en Newtons, se define como el producto de la masa por su aceleración ( FFF === mmm ∗∗∗ aaa ), a su vez la aceleración se expresa como la relación de la distancia por el cuadrado de la unidad de tiempo ( aa a === X/tX/tX/t^222 ).

1. En la tabla 1.1 liste las 7 magnitudes básicas en la primera columna, sus unidades en la segunda, en la tercera un ejemplo de una magnitud derivada de la respectiva magnitud básica y en la cuarta columna su unidad de medida.

Cuando una magnitud física A presenta variaciones ocasionadas por el cambio de otra magnitud física B, se dice que se tienen 2 variables físicas, tal que la primera es dependiente de la segunda y su dependencia se expresa como una función, es decir, A = f ( B ). Para determinar la función se recurre a experimentos físicos en los que se cuantifican en todo momento las dos variables, los resultados de las

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1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

t X

Tabla 1.2: Datos experimentales de una magnitud independiente y una magnitud dependiente.

1.2. Objetivos específicos

X Identificar las variables en un fenómeno físico y su clasificación como variables dependientes e independientes.

X Emplear las tablas de datos y gráficas para obtener la función que representa la dependencia entre las variables.

X Describir la relación existente entre las variables expresando la variable dependiente como una función de la independiente.

1.3. Equipos y materiales

X Cinta métrica.

X Cuerpos cilíndricos o discos con diámetros entre 5 cm y 25 cm, para este experimento se requieren como mínimo 5 objetos de este tipo, por ejemplo: vasos de diferentes diámetros, jarras, discos compactos (CD), tapas de envases de boca ancha, etc.

X Computador con hoja de cálculo. 11

CAPÍTULO 1. CONCEPTO DE VARIABLES

1.4. Desarrollo del experimento

Consideremos los cuerpos de forma circular que están sobre la mesa. Existen varias magnitudes físicas que se definen a partir de su geometría, por ejemplo el perímetro, el radio y el arco.

1. Describa estas 3 variables. Perímetro: Radio: Arco:
2. Estas 3 variables tienen una magnitud física en común, ¿cuál es? ¿Cuál es la unidad de medida?
3. Tome uno de los cuerpos y mida las 3 variables. ¿Cuánto vale cada una? Nota: Las variables se miden, no se calculan. Nota: Toda medición tiene error, éste depende de los elementos que componen un sistema de medición.
4. ¿Tiene problemas para medir el arco? ¿Cuál es el arco a medir, uno grande o uno pequeño? ¿Qué falta por definir para que sea consistente el sistema conformado por los círculos y sus respectivas magnitudes físicas (perímetro, radio y arco)?
5. Ahora ya se consideran 4 variables en el sistema. De las 4 variables definidas ¿cuáles son indepen- dientes y cuáles dependientes? ¿Cuál es la relación existente entre estas variables?
6. Diseñe un procedimiento para hacer las respectivas mediciones considerando el arco formado por dos segmentos radiales perpendiculares. Describa este procedimiento. ¿Cuál es la variable depen- diente? ¿Cuál es la independiente? ¿Qué variable tiene un valor fijo? ¿Cuánto vale?
7. Tome como mínimo 5 series de datos, por esto se debe disponer de por lo menos 5 cuerpos de diferentes radios. Una serie de datos se obtiene al hacer varias mediciones de cada variable sobre el mismo cuerpo, siguiendo el procedimiento descrito. En la tabla 1.3 consigne las series de datos.

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